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1、,微波技术与天线,Microwave Technology and Antenna,主讲：李媛 电话：15022751951 邮箱：globely 地址：天津大学电子信息工程学院B区401,2,一、课程基本信息,教学大纲,课程名称：微波技术与天线 英文名称：Microwave Technology and Antenna 适用对象：通信工程、电子信息工程 课程类别：专业必修课 先修课程：电磁场与电磁波、高频电子线路 后续课程：通信原理、光纤通信、电视原理 学 时：32 学 分：2 考核方式：70% 期末考试；30% 平时成绩 教 材：微波技术与天线 丁荣林、李媛 机械工业出版社 2007.9
2、参考书目： 微波技术与天线 刘学观、郭辉萍 西安电子科技大学出版社 2001.11 微波技术 赵春晖、张朝柱 高等教育出版社 2007.7,3,二、课程性质,三、课程目的和任务,1.使学生学会微波理论的基础概念、基本理论和分析方法； 2.让学生了解天线的参量和特性，掌握研究天线的手段和方法，定性地认识一些常用的天线设备； 3.培养学生分析问题和解决问题的能力，为后续课程做好铺垫； 4.为未来从事微波研究、天线设计工作以及电磁场与微波技术、通信系统等专业研究生阶段学习打下坚实的理论基础。,微波技术与天线为电子信息、通信工程专业的重要专业技术课，是一门极具工程性、实践性的课程，是移动通信、卫星通信
3、、光纤通信、广播、雷达等多个学科的理论基础，微波通信和天线也是现代通信的重要技术和信息传播方式，在国民经济和国防军事中起到举足轻重的作用。,教学大纲,4,第1章：绪论 熟知本门课程的研究对象、内容、任务和学习方法； 第2章：传输线理论 从路的观点出发，分析传输线的分类、方程、基本参量和工作状态等知识； 第3章：微波传输系统 从场的观点出发，研究规则波导的一般特性； 第5章：无源微波元件 了解常用微波元件和它们在工程上的主要应用； 第7章：天线基本理论 掌握天线基本理论和分析研究方法，了解天线设备的基本参量、特性参数等知识； 第8章：通信中的常用天线 认识常用的天线结构，如菱形天线、对数周期天线
4、、引向天线、螺旋天线等； 第9章：现代微波工程天线 了解现代微波工程中具有代表性的天线，如喇叭天线、微带天线、智能天线等。,四、教学基本要求,教学大纲,5,五、学时分配,教学大纲,第一章 绪 论,微波的概念 微波的基本特点 微波的应用 微波的防护 发展简史,7,一、微波的概念,微波是一种频率极高、波长很短的电磁波。 把波长从1m到0.1mm范围内的电磁波称为微波。 微波波段对应的频率范围为：3108 Hz31011 Hz。,微波的概念,8,二、电磁波波段划分,微波的概念,9,三、微波波段划分,微波的概念,10,四、微波波段的代号及对应的频率范围,微波的概念,11,微波的概念,五、典型应用下的频
5、率,12,我国收看卫视的几颗主要卫星,微波的概念,13,微波的概念,14,一、频率高,振荡频率3亿次以上，周期短。,低频电子器件的渡越时间短。,需要考虑完全新颖的微波电子器件。,可用频带很宽，在大容量通信场合得到广泛应用，如卫星通信、多路通信。具有通信容量高、抗干扰能力强的特性。,微波的基本特点,15,二、似光性,自由空间中以光速沿直线传播。,在不同媒质的分界面上要发生反射和折射。,如果分界面的线性尺寸不比波长大很多，会出现干涉和衍射现象。,遵守波动基本规律。,微波波长和一般物体的线性尺寸相当，可以采用成熟的几何光学方法来设计各种微波仪器和设备，比如用透镜或反射面来设计微波天线。,设计器件体积
6、小，波束方向性强。,微波的基本特点,16,三、穿透性,在特定波长穿透电离层，可以卫星通信、宇宙通信、遥感、定位。,穿透云、雾、雨、植被、积雪，并对微波有不同程度的吸收与反射，可以利用厘米波或这毫米波雷达来观测它们的存在和流动。用于气象预报。,穿透地表，作为探地雷达。,能穿透生物体，为微波生物医学打下基础。,微波的基本特点,17,四、量子性,量子能量不够大，不能改变分子内部结构，分子、原子和原子核呈现出谐振现象。,可以探索物质内部结构。,可以研制适用于微波波段的器件。,微波的基本特点,18,五、似声性,波长上与实验室的设备（物体）尺寸相当同量级，使其的特点又与声波相近。,波导传声筒,喇叭天线声学
7、喇叭,谐振腔声学共鸣箱,微波的基本特点,19,六、热效应,微波电磁能量传送到有耗物体内部，会使物体分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热。,可以进行微波加热，用于粮食、茶叶、卷烟、木材、皮革等各种行业。,热效率高、热透深度大、加热均匀（里外一起热）、加热迅速。,微波的基本特点,20,七、抗低频干扰,地球周围的噪声和干扰主要是宇宙和大气在传输信道上产生的自然噪声，由各种电器设备工作时产生的人为噪声，这些噪声一般都在中低频，与微波频率差别很大。,可以滤除。,微波的基本特点,一、通信,微波中继通信,微波散射通信,同轴电缆和波导通信,移动通信,卫星通信,宇宙通信,微波的应用,81米微波通信塔,22,雷达和
8、导航,微波的应用,二、雷达,目标尺寸和波长之比越大，反射越明显，探测距离越远； 雷达天线口径与波长之比越大，发射波束越细，反射就越显著，测位精度越高； 利用微波技术可以使用尺寸小、精度高的雷达。,现代相控雷达能够利用计算机控制天线阵列的波束相位，能够进行快速扫描，能够形成多波束；对目标进行探测，对多目标进行跟踪；气象雷达、导航雷达、汽车防撞雷达、防盗雷达、遥感用雷达,23,三、广播与电视,微波的应用,原先的广播和电视采用频率都在微波以下，但是随着电台增多，相互干扰增多，从而发展到微波频段。 典型的是采用微波进行卫星电视直播。,四、微波能,微波加热是指一些有耗介质，特别是含水或含脂肪的材料，吸收
9、微波能量，并把它转化为热能。不是借助于辐射、传导或者对流，而是靠材料内部极性分子在微波场作用下的共振吸收。,除家用微波炉外，在工农业生产方面，烘干、杀虫、灭菌、橡胶硫化、塑料生产。如英国采用2450MHz、1.8kW微波对硬木进行杀虫。,微波的应用,强功率应用（加热）,弱功率应用（测量）,进行各种电量和非电量的测量。,迅速而准确，测量时与加工物料不直接接触，不产生损伤，适于生产线上连续测量，便于自动控制。,25,医学,微波理疗机做透热治疗。,利用微波进行局部加热杀死癌细胞。,微波穿透人体的能力远比红外要强很多，利用微波可以得到人体内部的温度分布图。,癌肿瘤的温度略高于正常组织，这就提供了一种探
10、测体内癌肿瘤的方法。,微波加热血浆，解冻冷藏肾脏和进行节育试验。,微波的应用,五、生物医学,微波针灸可以治疗风湿、关节炎等疾病。,26,在地面建立几十米、数百米的大型抛物面天线，再配以高增益、低噪声、宽频带的微波接收机，可捕捉来自宇宙星体的微波辐射，利用这些信息研究宇宙的起源和构造。,1962年由无线电领域的科学家测得的宇宙背景辐射信号，强度相当于绝对温度2.7K，后来证实是宇宙大爆炸时的残余热辐射。这一发现被授予1978年诺贝尔物理学奖。,微波的应用,六、科学研究,27,微波量子与X射线或者射线相比极其微小，不足以使生物体组织中的分子变成离子，因而不会造成损伤。,人体只对外部加热比较敏感，而
11、微波能使人体内部变热，在不知不觉中，微波热效应会对人体产生损害，如不能及时把局部过多的热量耗散掉，将产生严重后果。,多数国家认为，最大允许的微波功率密度是10mW/cm2,但是微波的非热效应也可能会对中枢神经和心血管系统有影响。,微波的防护,一、基本知识,工频段的单位是T，如果辐射在0.4T以上属于较强辐射，对人体有一定危害，长期接触易患白血病。如果辐射在0.4T以下，相对安全。,28,手机辐射,SAR值即为生物体(包括人体)每单位公斤允许吸收的辐射量，这个SAR值代表辐射对人体的影响，是最直接的测试值，SAR有针对全身的、局部的、四肢的数据，SAR值越低，辐射被吸收的量越少。,SAR必须低于
12、1.6w/kg。,微波的防护,二、案例,29,电视（普通）,正面半米：正常开机的瞬间，它所产生的辐射值是0.12T，正常观看时的辐射值是0.30T，换台时为0.27T，待机状态则是0.11T，而侧面在正常观看 的情况下，辐射值是0.28T，总体看来接近警戒值。,距离三米：开关机、正常观看、换台、待机状态都是0.12T；后面辐射强度较大，开机后在半米之内辐射值竟达4 .8T，而且隔着玻璃、木板，辐射都没有减小，甚至隔着10厘米厚的墙辐射值还有0.9T。,微波的防护,30,等离子电视,正面半米处，开机、观看、换台都是0.11T，待机时0.12T，侧面0.11T。,开机时0.12T，正常观看时是0.
13、14T，换台、待机状态下0.11T，从测试结果看较之传统电视，等离子的辐射强度要小一 些。,微波的防护,液晶电视,不论是正面半米还是正面3米的范围内，开机瞬间、正常观看、换台、待机状态的测试结果都是0.1T，而侧面也只有0.11T，基本上是辐射强度没有变化。,31,CRT显示器,显示屏前紧贴着1.00T，显示屏侧面紧贴着 0.55T。距离0.2米时，显示屏前面的辐射0.18T。加上屏保辐射只有10的减少。后面辐射并不象电视那样很大。,微波的防护,液晶显示器,显示屏前0.5米0.11T，开机瞬间0.12T，关机0.11T，显示屏侧面0.5米0.12T。,台式电脑主机,前面0.17T，但主机操作面
14、板中央辐射略强，距离0.03米，0.26T；主机侧面0.29T，机箱左侧面中央，距离0.03米，0.23T；后面0.46T。,台式电脑电源接线在接通状态下的辐射是0.47T。,32,微波的防护,低音炮音箱,操作面板中央，距离0.03米，0.63T；音箱右侧面中央，距离0.03米，5.68T。,距离0.4米时，它的辐射就减小到0.17 T。低音炮音箱辐射严重，使用时至少要保持半米的距离。,笔记本,显示屏前0.1米0.13T，显示屏前0.3米0.10T，显示屏侧面0.3米0.13T，键盘上方0.19T，电源适配器0.22T。测试结果显示笔记本键盘辐射稍强，电源适配器最大。,33,电脑小配件,微波的
15、防护,34,三、什么是安全的？,用电池的直流电电器是最安全的。,最好不要穿防护服，人体本身就是一个大导体，穿上它只能把屏蔽的辐射导入到人体内部，而且现在没有明确防护服的材质标准，价格也参差不齐，所以建议不要轻信防护服的作用。,微波的防护,35,现代电磁理论的基础,1873年詹姆斯.克拉克.麦克斯韦用公式建立,数学复杂性的消除,1885年到1887年奥利弗.亥维赛消除了maxwell理论的数学复杂性，引入矢量形式，并提供了导波和传输线的实际应用的基础。,发展简史,36,最早的实验,1887年到1891年亨瑞克.赫兹作了一系列实验证实了麦克斯韦的电磁理论。,20世纪初,缺少可靠微波源和其它元件，无
16、线电技术主要发生在高频(HF)到甚高频(VHF),发展简史,37,20世纪40年代,第二次世界大战，雷达出现，微波技术得到了重视； MIT建立了辐射实验室来发展雷达理论和技术。主要包括波导元件的理论和实验分析、微波天线、小孔耦合理论，初期的微波网络理论。,微波通信,在雷达出现后不久就开始得到发展，主要得益于为雷达系统所作的工作,发展简史,工作频段不断向高频段扩展。,微波元器件及整机不断向小型化、宽频带发展。,微波系统日趋自动化、智能化和多功能化。,分米波,厘米波,毫米波,亚毫米波,光波,真空器件,半导体,分离元件,集成电路,超导微波元器件,计算机技术,发展简史,未来发展方向,知识回顾Knowledge Review,
